【新奇科技】口香糖也能當感測器?

■口香糖除了能讓你從昏昏欲睡的下午清醒過來,現在也可以當感測器之用。

3ab8c2910437cb6b16e946dc23ee0b56撰文|方程毅

監測人體心跳、呼吸或運動狀態的穿戴式感測器越來越受到重視,好的穿戴式感測器能感測人體肌肉的各種運動,包括彎曲、伸展、旋轉等等,同時也希望能價格低廉且容易製備。加拿大曼尼托巴大學(University of Manitoba) Malcolm Xing教授實驗室最近便用口香糖作為基底混以奈米碳管(CNT)製作感測器,監測人體肌肉因運動造成形變及周圍濕度的變化,發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

這篇論文的標題為"Gum Sensor: A Stretchable, Wearable, and Foldable Sensor Based on Carbon Nanotube/Chewing Gum Membrane",筆者第一次看到標題時其實抱著懷疑,雖然標榜口香糖,但可能只是噱頭,並不是真正使用可食用的口香糖,而是結構與口香糖接近的材料。但仔細看過內文才發現製作感測器的第一步真的是先讓研究生嚼口香糖30分鐘,再對其進行後續製程,是貨真價實的口香糖感測器,當然口香糖吐出來後會用酒精跟水清洗再使用,沒那麼噁心。這個感測器能黏貼在人體上,當關節或肌肉運動造成口香糖形變時,其電阻值會產生變化,但口香糖根本就不是導體,哪來的電阻值變化呢?其關鍵在研究團隊將導電的奈米碳管混入口香糖中,當口香糖形變的同時,裡面的奈米碳管排列產生變化而改變電阻值。

1215口香糖的優點在哪裏呢?在於形變量可以很大(高達500%),傳統的金屬形變感測器最多只能偵測5%左右的形變,所以要應用在人體上有其難度,而口香糖最大的特點就是能屈能伸,只要適當地將導電物質混入,就能感測較大的形變量。研究團隊在論文中測試了許多不同的人體運動,包括:手指彎曲(請見影片)、頭部上下左右擺動時頸部肌肉的運動以及呼吸時的肌肉運動。感測的效果都相當不錯,且具有重複性,口香糖感測器伸縮超過1000次再恢復原狀後電阻值只比使用前上升10%(遠小於伸縮時造成的電阻變化),足以見得重複性甚佳。

不過將奈米碳管混入口香糖製成的形變感測器工作原理又是什麼呢?這裡簡單做個解說,當可憐的研究生嚼完一片又一片的口香糖並清洗過後,會將奈米碳管混入口香糖中(碳管的重量百分比約為6%),此時奈米碳管在口香糖內的排列是雜亂無章的,因此會先把混有碳管的口香糖沿著某一個方向重複伸縮500次再進行後續的感測試驗,如此一來大部分奈米碳管就會沿著製程時的伸縮方向排列。正因為奈米碳管的排列是有方向性的,而感測器的電阻值取決於奈米碳管互相接觸的情形(可以將奈米碳管想像成一根一根的導體散佈在口香糖裡),當口香糖未遭受拉伸時,碳管們互相接觸所以電阻值較小,但當口香糖被拉伸時奈米碳管之間的接觸點就會變少,導致電阻值上升,這也是為什麼此元件能夠經由電阻值的變化測量口香糖受到的形變量。除了可以感測形變量,它還可以同時偵測濕度變化,因為水氣接觸元件時,會增加碳管之間的導電率,使電阻下降,也可作為監測人類呼吸之用。

近年來許多針對感測器的研究都希望能夠簡化製程及降低成本,所以各種以紙或塑膠基板製成的感測器如雨後春筍般冒出,口香糖感測器除了能提供更大的形變量外,同時也是低成本容易取得的材料,可以說創意十足,但創意是有代價的,通常一項研究要能夠成功並發表論文一定做過非常多次的實驗,不知道這個實驗室的研究生們在這個過程中嚼掉多少口香糖,嘴巴一定很痠吧!

原始論文與圖片出處:Darabi, Mohammad Ali, Ali Khosrozadeh, Quan Wang, and Malcolm MQ Xing. "Gum Sensor: A Stretchable, Wearable, and Foldable Sensor based on Carbon Nanotube/Chewing Gum Membrane." ACS applied materials & interfaces(2015).

參考資料:American Chemical Society (ACS). "Stretchable, wearable sensor made with chewing gum." ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2015/12/151203160353.htm (accessed December 9, 2015).

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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